Skybox公司高分辨率小微衛星星座開啟商業遙感2.0時代

· 文|北京空間科技信息研究所 劉韜

一家美國創業公司正在通過低成本高分辨率小微衛星星座改變天基商業遙感的應用模式。

人類自開始探索空間以來，目前國外僅50余顆衛星能夠拍攝高分辨率照片，即便是航天實力最強的美國僅有12顆高分辨率光學成像衛星在軌正常運行。除軍用光學偵察衛星外，進入天基商業成像市場的僅剩“伊克諾斯”-2（Ikonos-2）、“快鳥”-2（QuickBird-2）、“地球眼”-1（Geoeye-1）和“世界觀測”（WorldView-1/2）共5顆衛星。更糟糕的是，該市場約80%被美國政府控制，他們比其他購買者擁有優先權。當政府機構需要衛星時，提出要求即可。由于衛星數量不足和政府對衛星經營權的控制，訂購地球某地方的圖像可能要花上數天、數周、甚至數月。

來自硅谷的名為天空盒子成像公司（Skybox imaging，以下簡稱Skybox）的創業公司正在發展由24顆小微衛星組成的天空衛星（Skysat）星座。該星座將使衛星應用從靜態圖像的應用向基于時序圖像的應用轉變。其時序圖像、視頻產品和大數據應用等創新點與低成本結合讓航天技術工程師和風投者心跳。Skybox公司是一家提供高時效性高分辨率圖像、高保真影像和影像分析的企業。通過將互聯網與高分辨率衛星星座結合在一起，Skybox創造了一個獨特的數據來源，它是由時間分辨率較高的亞米級彩色影像和地球高清視頻組成的，可反映目標每日的變化情況。

★ 天空衛星（Skysat）星座

Skysat是小型、廉價和高效的小微衛星。其質量約90～120kg，單星成本為5千萬美元，而一顆傳統的甚高分辨率衛星，如WorldView-2的成本約4億美元。24星Skysat星座具備對目標每天8次的重訪能力，即便是具備高敏捷性的傳統高分辨率衛星星座，如法國昴宿星（Pleiades）雙星星座也望塵莫及。

★ Skysat-1與WorldView-2的體積對比

Skybox公司的天空一號（Skysat-1）衛星于2013年11月21日利用俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）運載火箭從亞斯內發射場成功發射，Skybox公司于12月11日對外公布了Skysat-1獲取的首幅圖像。2014年2月10日，美國勞拉空間系統(SSL)公司與Skybox公司簽訂合同，SSL公司將為Skybox公司建造13顆小衛星，每顆衛星的尺寸約為60cm×60cm×95cm，質量約120kg，計劃于2015年和2016年發射。這些衛星的設計由Skybox公司完成。Skysat-1衛星在黑白成像模式的星下點空間分辨率為0.9m，彩色模式下分辨率為2m。而SSL將要制造的衛星，其彩色模式下的分辨率將提高到1m，并可錄制每秒30幀、時間長度90秒的高清視頻，幅寬為8km。這13顆衛星一經發射，Skybox公司將具備每天3次對地球任一地點的重訪能力。伴隨著2013年11月SkySat-1衛星的成功發射，Skybox公司證明了Skysat衛星性能好、衛星設計合理并且經濟實惠。通過與SSL合作，該公司以大規模生產方式進一步節約了成本，同時使公司可以專注于下一代系統的設計研發，以更好地服務于客戶。

★ Skysat-1衛星于2014年1月15日拍攝的中國深圳市大梅沙海灘

在衛星技術上，Skybox公司也進行了很多創新。Skysat-1是首個使用CMOS面陣傳感器的1m級分辨率對地觀測衛星。Skysat-1的有效載荷是里奇-克萊琴（R-C）反射式望遠鏡，反射鏡由碳化硅材料制造，采用了低噪音、高幀速率的550萬像素2維CMOS圖像傳感器。與線陣推掃成像方式不同，Skysat采用框架式推掃結構，獲取多幅具有重疊部分的2維圖像，星上進行圖像校正，采用實時JPEG 2000圖像壓縮算法，然后利用合成時間延遲積分（TDI）技術在地面對圖像進行處理，采用這種方法可以提高圖像信噪比和分辨率，同時降低星上處理的技術困難。

★ 圖像疊加成像示意圖

Skybox公司不但采用了新的成像技術，在衛星應用上也做出了巨大創新。基于互聯網平臺的大數據應用是這一項目的核心，定期分析和數據流是Skysat星座應用的特點。Skybox公司提供基于網絡的數據平臺，允許用戶建立自己的算法，發現適于自己的應用。例如，用戶可以基于衛星圖像將關注點放在礦山、工廠、港口和零售店等感興趣的內容上，具體地說，用戶可以通過礦區周圍的井坑和礦渣規模圖估算礦區的生產力；保險公司可利用衛星查看受損的房屋來核實索賠并標記潛在詐騙；零售商可以追蹤停車場的車輛數量以預測商品零售量；用戶可以發現中國三個發展最快的經濟開發區道路上行駛的油罐車的數量；從某地區照明亮度的增長速度判斷經濟增長速度等等。

★ Skysat星座的應用設想圖

每天許多對經濟和環境產生重大影響的個人、企業或國家行為都通過各種方式記錄在從太空拍攝的圖片里，某些重要信息很難從靜態圖片中獲得，但從時序圖像中可以發現一個企業、產業或國家的經濟健康狀態。Skysat星座將獲取比靜態圖像豐富得多的有用價值,挖掘到更多商機。Skybox公司的業務將比其他任何公司都廣闊，商業遙感2.0時代即將到來。

從Skybox公司Skysat衛星的發展可以看出，在滿足圖像商業應用的前提下，盡可能采用小衛星平臺、低成本的望遠鏡，利用最新的圖像處理硬件和算法，不但可使未來數年內美國的高分辨率光學成像衛星數量翻2倍，還可使獲取的圖像數量大幅度增加，以此為數據源建立大數據應用平臺的基礎。其次，基于互聯網允許客戶二次開發利用，使衛星圖像應用從靜態應用向動態應用分析轉變。這種數據分析和應用模式將帶來前所未有的商機。我們在發展高分辨率衛星時，應該與時俱進，不但要繼續發展傳統的高敏捷衛星平臺和大口徑望遠鏡，縮短與美國的技術差距，還要重視新型CMOS探測器技術、地面數據處理和開發利用技術，使衛星應用跟上國際商業市場的發展節奏。